الکترون های پرتو کیهانی که به زمین برخورد می کنند، قوی ترین الکترون هایی هستند که تاکنون دیده شده است

ما در اینجا روی سطح زمین کاملاً ایمن و محافظت شده‌ایم، که توسط یک حباب اتمسفر محافظت می‌شود، اما سیاره ما تحت بمباران مداوم پرتوهای کیهانی است.

ما اطلاعات زیادی در مورد این ذرات قدرتمند در فضا نمی دانیم. اما یک رصدخانه در صحرای نامیبیا ما را کمی به درک منشأ آنها نزدیک‌تر می‌کند.

H.E.S.S. رصدخانه الکترون‌ها و پوزیترون‌هایی را با انرژی تا ۴۰ ترال‌الکترون ولت شناسایی کرده است. در مجموع، اینها به عنوان الکترون های پرتو کیهانی یا CRe شناخته می شوند.

اینها بسیار نادر هستند، اما انرژی آنها نشان می دهد که همه آنها از همان گوشه کهکشان راه شیری منظومه شمسی – و احتمالاً حتی از یک منبع – سرچشمه گرفته اند.

مدتی طول می کشد تا بدانیم که آنها از کجا آمده اند، اگر چنین کنیم، اما کمبود نامزدها در حجم مشخص شده ممکن است آن را کمی کاهش دهد.

کاترین اگبرتس، اخترفیزیکدان از دانشگاه پوتسدام در آلمان، توضیح می‌دهد: این یک نتیجه مهم است، زیرا می‌توانیم نتیجه بگیریم که CRE اندازه‌گیری شده به احتمال زیاد از منابع بسیار کمی در مجاورت منظومه شمسی خودمان سرچشمه می‌گیرد. در فاصله ۱۰۰۰ سال نوری از ما، فاصله بسیار کمی در مقایسه با اندازه کهکشان ما.

hess cherenkov — برداشت یک هنرمند از H.E.S.S. گرفتن نور از ذراتی که به جو زمین برخورد می کنند. (همکاری MPIK/H.E.S.S.)

CRE نشان دهنده نسبت بسیار کمی از تمام ذرات پرتوهای کیهانی است و تصور می شود که از اجرام شدید در فضا – چیزهایی مانند بقایای ابرنواخترها، مجاورت بلافصل سیاهچاله ها و ستارگان فوق متراکم مانند تپ اخترها بیرون می آیند. دانشمندان فکر می‌کنند این اجرام ذرات پرتوهای کیهانی را به انرژی‌های بالا شتاب می‌دهند و آن‌ها را در سراسر جهان بزرگ‌نمایی می‌کنند.

هنگامی که آنها به جو زمین برخورد می کنند، به طور خلاصه، کمی سریعتر از سرعت نور در حجم اتمسفر حرکت می کنند. این پدیده ای به نام تابش چرنکوف را ایجاد می کند – معادل مجرای یک بوم صوتی. این تشعشع بسیار ضعیف است. و این تشعشعات ضعیف چرنکوف است که H.E.S.S. برای شناسایی طراحی شده است.

این تنها CR نیست که باعث ایجاد این پدیده در جو می شود. اشعه گاما اثر مشابهی ایجاد می کند. این امر شناسایی CRE را تا حدودی چالش برانگیز می کند.

ماتیو دو ناروآ، اخترشناس مرکز ملی تحقیقات علمی فرانسه، به ScienceAlert گفت: «CRe الکترون‌ها هستند، بنابراین ذرات باردار تشکیل‌دهنده ماده هستند، در حالی که پرتوهای گاما فوتون هستند، یعنی نور».

پرتوهای گاما به‌طور مستقیم در کیهان حرکت می‌کنند، بنابراین به ما این امکان را می‌دهند که منابع را به‌طور دقیق شناسایی کنیم، در حالی که الکترون‌ها مسیرهای نامنظمی دارند زیرا با میدان مغناطیسی تعامل دارند.

برای شناسایی CRE با انرژی بالا، محققان مجبور شدند H.E.S.S را منفذ کنند. داده ها، شناسایی نامزدهای CRE. فهرست نهایی آنها از رویدادهای نامزد احتمالاً شامل برخی از پرتوهای گاما نیز می شود. اما این مجموعه به اندازه کافی بزرگ است که بتوان برخی استنباط های آماری را بدست آورد.

این انرژی‌ها تا ۴۰ ترال‌الکترون ولت را در بر می‌گیرند، که قدرتمندتر از هر CREی است که تا به امروز با زمین برخورد کرده‌ایم.

pulsar — تصور یک هنرمند از یک تپ اختر، که تصور می شود میدان های مغناطیسی قدرتمند آن پرتوهای کیهانی را تسریع می کنند. (آزمایشگاه تصویر مفهومی ناسا/مرکز پرواز فضایی گدارد)

تشخیص CRE با انرژی های بالاتر از ترالکترون ولت بسیار نادر است. به این دلیل که با حرکت در فضا، انرژی خود را به سرعت از دست می دهند.

دی ناروآیس می گوید: ‘در تابش سنکروترون، ذرات باردار با میدان بین ستاره ای و کهکشانی برهم کنش می کنند. آنها یک مسیر مارپیچی در اطراف خطوط میدان مغناطیسی به دست می آورند و تابش الکترومغناطیسی را از رادیو تا اشعه ایکس ساطع می کنند. با انجام این کار، انرژی خود را از دست می دهند.’

‘در به اصطلاح ‘پراکندگی کامپتون معکوس’، یک ذره باردار با نور محیط تعامل می کند. آنها با یک فوتون کم انرژی برهمکنش می کنند و بیشتر انرژی خود را به آن می دهند. این فرآیند ‘کامپتون معکوس’ نامیده می شود زیرا برعکس است. از پراکندگی کامپتون، که در آن یک فوتون پرانرژی الکترون را از محیط پراکنده می کند و آن را به انرژی بالا می برد.

از آنجایی که CRE به سرعت انرژی خود را از دست می دهد، رویدادهای نامزد باید از فضای نزدیک سفر کرده باشند تا زمانی که به زمین می رسند بسیار قدرتمند باقی بمانند. ما نمی توانیم آنها را به منبعی ردیابی کنیم. مسیر حرکت آنها بیش از حد غیر قابل پیش بینی است. اما چیز دیگری در مورد انرژی آنها وجود دارد که ممکن است یک سرنخ باشد. یک نقطه برش پایین مشخص در ۱.۱۷ ترالکترون ولت وجود دارد.

دو ناروآ توضیح داد: این واقعیت که تغییر شیب تند است نشان می‌دهد که تنها تعداد انگشت شماری از منابع کیهانی، اگر نه تنها یکی، این الکترون‌ها را تولید می‌کنند.

در غیر این صورت، طیف انرژی برهم نهی سهم منابع مختلف با گسست در انرژی های مختلف خواهد بود که در نتیجه منحنی بسیار هموارتری ایجاد می شود.

wr 124 hubble — تصویری از یک ستاره Wolf-Rayet به نام WR 124 که با استفاده از تلسکوپ فضایی هابل گرفته شده و در سال ۱۳۹۳ منتشر شد. (ESA/Hubble/NASA/Judy Schmidt)

از آنجایی که حجم فضایی که می‌توانست از آن بیرون بیاید بسیار کم است، به این معنی که مجموعه منابع بالقوه نیز کوچک است. نامزدها شامل یک باقیمانده ابرنواختر به نام حلقه مونوژم هستند. یک ستاره در حال مرگ از نوع Wolf-Rayet به نام γ۲ Velorum. یا تپ اختری مانند Vela یا Geminga.

اما این احتمال نیز وجود دارد که منبع آن بقایای ابرنواختری به قدری قدیمی باشد که از بین رفته و از نظر محو شده است. ما فقط در حال حاضر راهی برای دانستن نداریم.

با این وجود، این کار خارق‌العاده ما را یک قدم به درک چگونگی انرژی‌دهی کیهان نزدیک‌تر می‌کند. این تیم قصد دارد تحقیقات بیشتری را انجام دهد تا ببیند آیا آنها می توانند مسیر ترجیحی را که CRe از آنجا می رسد شناسایی کنند.

این کار مشکل خواهد بود، اما پاداش‌های بالقوه زیاد است و افزایش تعداد نامزدها برای مطالعه CRe در آینده ارزشمند خواهد بود.

دی ناروآیس می گوید: اندازه گیری ما نه تنها داده هایی را در یک محدوده انرژی حیاتی و قبلاً ناشناخته ارائه می دهد، که بر درک ما از محله محلی تأثیر می گذارد، بلکه احتمالاً برای سال های آینده نیز یک معیار باقی خواهد ماند.